[01348217]高效率多异质结有机薄膜太阳能电池的研究

多异质结有机薄膜太阳能电池优势突出,制程简单,性能提升效果优异,且利于大规模生产的应用。其中,三元有机太阳能电池结构很好的解决了叠层器件的问题。在原有的二元体系中加入第三组分,第三组分可以是给体或受体,三者混合在一起形成混合薄膜,构成有机太阳能电池的有源层。第三元材料的引入,进一步拓宽了原二元体系的光谱吸收范围,提高了太阳光谱利用率,同时活性层薄膜的厚度得以保持,使得器件依然具备良好的载流子传输的能力。另外,三元有机太阳能电池简单的制作工艺也使其具备广阔的应用前景。具体的研究内容完成情况如下： （1）研究不同掺杂浓度ITIC-Th对PBDB-T-SF: IT-4F二元有机太阳能电池各项参数的影响。制备不同掺杂比例下PBDB-T-SF: IT-4F: ITIC-Th三元太阳能电池器件,利用相应的设备来表征器件的各个特性。实验发现,无掺杂的标准PBDB-T-SF: IT-4F器件的开路电压VOC为0.75 V,器件的短路电流JSC为22.12 mA/cm2,并有着59.15%的填充因子FF,相应能量转换效率PCE为9.84%。当ITIC-Th掺杂比例为20 wt%时,其开路电压VOC提高到0.80 V,有21.07 mA/cm2的短路电流JSC,填充因子FF也达到了65.08%,能量转换效率PCE达到10.99%。 （2）将非富勒烯材料IEICO-4F掺入PBDB-T-SF: IT-4F二元体系,发现其性能有所降低,通过分析其EQE和形貌特性,证实了三元器件性能降低是由较差的薄膜形貌引起。为了优化三元器件的性能,先使用倒置溶剂蒸汽退火工艺处理活性层,再进行热退火,并对器件相关特性进行了表征实验。当仅使用140℃热退火工艺处理三元器件时,其开路电压VOC为0.79 V,短路电流JSC为19.4 mA/cm2,填充因子FF为59.5%,相应能量转换效率PCE为9.2%;而先使用倒置溶剂蒸汽退火工艺后再热退火的最优三元器件,其开路电压VOC为0.77 V,器件的短路电流JSC为21.6 mA/cm2,并有着65.2%的填充因子FF,相应能量转换效率PCE达到11.0%,相较于仅热退火处理的器件能量转换效率有19.6%的提升,相比于原二元体系能量转换效率有6.4%的提升。 （3）通过将Y6掺杂到PC61BM电子传输层内,制备了混合电子传输层钙钛矿太阳能电池。实验结果表明,通过掺杂Y6,器件的短路电流JSC普遍获得了提高。其中,在Y6:PC61BM的混合比例为1:20的最优化比例下,相比于传统PC61BM器件,JSC由22.3mA/cm2提升至23.4 mA/cm2;FF由57.0%提升至61.5%;最终使得器件的PCE由13.3%提升至15.0%。 （4）混合电子传输层结构有效的提升了器件的FF与JSC,说明Y6的引入确实有助于提升钙钛矿太阳能电池的光伏性能,然而混合电子传输层结构对于混合比例的敏感性使得器件的FF的波动过大,重掺杂下器件的性能甚至低于传统电池。因此采用了新的方式引入Y6。在旋涂钙钛矿的动态过程中,通过将Y6的氯苯溶液滴加至薄膜表面,制备了基于Y6反溶剂处理的钙钛矿太阳能电池。实验结果表明,反溶剂处理器件相对于混合电子传输层器件有了进一步的提高,在4mg/ML的最优反溶剂浓度下。器件的JSC由23.4 mA/cm2提升至23.9mA/cm2,FF由61.5%提升至64.8%,最终导致器件的PCE由15.0%提升至16.1%。 创新性： （1） 采用非富勒烯材料ITIC-Th和IEICO-4F对PBDB-T-SF: IT-4F的二元体系进行掺杂,并利用倒置溶剂蒸汽退火工艺对器件进行处理,能有效提升有机太阳能电池的性能,为高性能有机太阳能电池的研究提供了新的思路; （2） 采用了Y6反溶剂钝化了钙钛矿层缺陷;通过将Y6掺杂入PC61BM制备电子传输层,以形成两相互穿网络,为电子提供了高速传输的通道。两项工作分别提升了钙钛矿光吸收层与电子传输层的载流子传输效率。 应用前景 有机太阳能电池具有绿色无污染、价格低廉、便于携带、柔性可弯折等众多优点,科学家们一致认为它是最具潜力的替代能源。本论文在高效率的PBDB-T-SF: IT-4F二元有机太阳能电池中分别掺入非富勒烯受体材料ITIC-Th和IEICO-4F。合理的掺杂ITIC-Th能有效提高器件的性能,利用倒置溶剂蒸汽退火处理PBDB-T-SF: IT-4F: IEICO-4F三元活性层可以有效提升器件效率。本工作为高性能有机太阳能电池的研制提供了新思路。